福建省2010-2019年水资源生态足迹与生态承载力

岳 晨, 钱 永, 崔向向, 王春晓, 刘 峰, 郭斯嘉

(1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所, 河北省 石家庄 050061;2.中国地质调查局河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 河北省 石家庄 050061)

目前，水资源生态足迹的研究主要基于生态足迹的原理和方法之上进行改进。生态足迹法主要通过表征在所需人口和经济规模下，维持水资源消费和自然环境进化所必需的水资源用地面积来衡量区域可持续发展状况[1]。该方法最早是Willam Rees提出由其博士Wackernagel完善，从此开启了生态承载力评价的新征程[2-4]。随着生态足迹法的不断完善，以生态足迹为理论框架进行水资源可持续性评价成为水资源发展研究的热点。各国学者[5-9]在此基础上开展水足迹、水生态足迹和水资源生态足迹的研究，并取得不断进步。范晓秋[5]将水资源账户统一到生态足迹模型中，将水资源的生态环境和社会经济功能也一并纳入到生态足迹模型中。黄林楠[10]在生态足迹的理论框架下建立水资源生态足迹计算模型。Wang等[11]将水资源账户刻画为生活用水、生产用水和生态需水3个子账户，计算辽河流域水资源生态足迹；方恺[12-13]将三维生态足迹模型引用到水资源生态足迹评价中，通过引入足迹深度和足迹广度，来表明存量资本消耗和流量资本占用。丁华等[14]通过引入万元GDP水资源生态足迹，分析了水资源生态需求和供给能力；Veldkamp等[15]认为人口和经济发展是影响水资源生态足迹模型的重要因素。通过各国学者[16]不断实践和努力，水资源生态足迹已成为国际上开展生态足迹核算、水资源战略评价的重要方法依据。福建省水资源比较丰富，但福建省经济发展较快，水资源年际变化差异大，水资源空间失衡比较突出，而福建省水资源生态足迹相关研究严重缺乏[17]，这对当地水资源合理利用造成巨大挑战。科学评价水资源利用情况，合理开发利用水资源，是实现城市可持续发展的重要基础。

因此，本文依托于水资源生态足迹的理论框架，以福建省2010—2019年数据为基础，建立福建省水资源生态足迹模型，通过建立福建省水资源生态足迹三维模型，分析福建省水资源演变特征及空间分布格局，为福建省水资源可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

福建省位于中国东南部，东临太平洋。全省属多山地区，地势西北高，东南低，大致可划为闽北山地、闽西南山地、闽东山地和闽东南丘陵、沿海平原。福建省属于亚热带海洋性季风气候，全省大部分地区平均气温在17～21 ℃，年降水量一般在1 100～2 000 mm。受气候和地形影响，降水时空分布不均，多集中在春夏，冬季少雨。福建省地表水多年平均径流量为1.18×1011m3，人均拥有水资源量为3 433 m3(2019年)，水资源相对丰富。省内地表径流丰富，年平均流量变化很小，含沙量少，水力资源丰富。河流一般短促，河网密度大于0.1 km/km2。改革开放以来，福建省经济飞速发展，基本保持8%的增速，经济增长速度在东部沿海省份中排名第1，在全国省市中高居前10，是我国东南沿海经济发展的重要地区[18]。

1.2 数据来源

本文的研究的的水资源、用水量、人口、国内生产总值数据主要来自于福建省水资源公报(2010—2019年)，福建省统计年鉴(2010—2019年)。

2 研究方法

2.1 水资源生态足迹

水资源生态足迹是建立在生态足迹模型基础之上的，用于描述水资源生态环境和社会经济功能[5]。水资源生态足迹计算公式[19]为：

EFw=N·efw=N·γw·(W/pw)

(1)

式中：EFw为水资源生态足迹(hm2)；N为人口数； efw为人均水资源生态足迹(hm2/人)；γw为全球水资源均衡因子，取值5.19[10]；W为水资源消耗量(m3)；pw为全球水资源平均生产能力，取值3 140 m3/hm2[10]。

2.2 水资源生态承载力

水资源生态承载力，主要表示水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力，需要综合考虑生态环境以及社会生产所需要的水资源[20]。生态承载力计算公式为如下：

ECw=N·ecw=0.4×ψ·γw·Q/pw

(2)

式中：ECw为生态承载力(hm2)； ecw为人均生态承载力(hm2/人)；ψ为水资源产量因子；Q为水资源总量(m3)；通常一个国家和地区的水资源承载力中60%用于维持生态环境，因此，计算中乘以系数0.4[10]。

区域水资源产量因子：区域水资源产量因子为该区域水资源量平均生产能力与世界水资源生产能力的比值。水资源产量因子计算公式[5]为：

ψ=P/Pw

(3)

式中：P为区域单位面积产水量。

根据福建省水资源相关数据，计算得出福建省2010—2019年水资源产量因子，结果详见表1。

表1 福建省各个市年水资源产量因子

2.3 水资源生态盈余/赤字

水资源生态盈余/赤字公式为：

ES=ECw-EFw

(4)

式中：ES为生态盈余/赤字(hm2)。其值为正时，为生态盈余，表明福建省水资源尚有潜力；其值为0时，表明福建省水资源生态平衡。其值为负时，为生态赤字，表明水资源处于过量开发阶段。

2.4 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹是通过水资源生态足迹与万元GDP的比值来表示的。其值越小表示水资源利用效率越高，反之越低[21]，计算公式为：

万元GDP水资源生态足迹=EFw/GDP

(5)

2.5 水资源生态足迹三维模型

水资源生态足迹深度表征人类对水资源存量资本的消耗程度，水资源生态足迹广度表征人类对水资源流量资本的占用水平[22]。计算公式为：

EFdepth=1+ES/ECw

(6)

EFsize=min[ECw, EFw]

(7)

式中：EFdepth为水资源生态足迹深度(等于1时称为原长); EFsize为水资源生态足迹广度(hm2)。当EFw

3 结果与讨论

3.1 福建省水资源生态足迹与生态承载力分析

根据公式核算出福建省2010—2019年人均水资源生态足迹(表2)，具体变化情况如图1所示。福建省人均水资源生态足迹整体上趋于平稳并呈现稳中有降的趋势，表明随着社会经济的发展，水资源利用效率在逐渐提高。其变化范围为0.696～0.928 hm2/人，均值为0.848 hm2/人。在水资源各账户中，农业用水、工业用水、生活用水、生态环境用水足迹多年均值分别为0.393，0.305，0.077和0.071 hm2/人，各占福建省水资源总生态足迹的46.41%，36.03%，9.14%，8.43%。以上数据表明福建省水资源生态足迹仍以农业用水为主。用水结构中，工业用水生态足迹下降最快，随着福建省经济发展飞速，说明工业用水效率逐年提高，工业用水消耗量逐年减少。生活用水生态足迹增长最快，说明福建省人口数量和居民生活水平在不断提高。农业用水足迹呈现平稳态势，且有小幅下降，说明全省已经注意到农业节水灌溉工程，但效果仍旧不明显。人均生态环境用水生态足迹自2012年后每年的变化非常小，所占份额也最小，也有可能与福建省降雨丰富相关，生态环境用水量相对较少。根据公式核算出福建省2010—2019年水资源生态承载力(表2)，福建省水资源生态足迹和水资源生态承载力体变化如图2所示。福建省水资源生态承载力明显大于水资源生态足迹，福建省长期处于生态盈余状态。福建省水资源生态承载力波动起伏变化较大，年际差异比较大。其中，2013年水资源生态承载力最高，为10.944 hm2/人，2018年水资源生态承载力最低，为2.602 hm2/人，年际间相差4倍之多。水资源生态承载力的变化不仅限于人口、水文、植被、地质条件等情况，也与当年的气候条件，尤其是降水密切相关。由图2可知，福建省水资源生态承载力与降水量波动趋势基本一致。受水资源生态承载力影响，福建省水资源生态盈余年际变化比较大，变化幅度在1.829～10.047 hm2/人之间。其中，2013年福建省水资源生态盈余水平最高，10.047 hm2/人。根据图2福建省降水量可以看出，该地区的生态承载力受降水量影响还是比较大的。目前，福建省水资源状态相对较好。

表2 福建省2010-2019年各行业人均水资源生态足迹、生态承载力分析结果 hm2/人

图1 福建省2010-2019年各行业人均水资源生态足迹变化

图2 福建省2010-2019年人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力与年降水量变化趋势

根据公式核算出福建省2010—2019年万元GDP水资源生态足迹变化。由图3可以看出，福建省万元水资源生态足迹自2010—2019年呈现明显下降趋势，自2012年以后，下降速度放缓并趋向平稳。万元GDP水资源生态足迹从2010年的0.627 hm2/人降到了2019年的0.164 hm2/人，由此可以看出，福建省水资源利用效率总体上正在逐年提高。

图3 福建省2010-2019年万元GDP水资源生态足迹变化

3.2 水资源生态足迹空间分布特征

根据公式核算出福建省2010—2019年水资源生态足迹深度与广度(表3)。水资源生态足迹三维模型主要反映了区域对水资源存量资本的消耗程度。受季风气候影响，福建省降水量相对充足，但年际变化较大。虽然人口不断增长，经济迅猛发展，用水量的需求不断增加，但目前福建省水资源流量资本可以满足经济社会的生活生产需求。由图4可知，自2010—2019年福建省水资源生态足迹深度为1，说明福建省水资源存量资本的消耗在水资源承载力范围之内。水资源生态足迹广度主要反映区域对水资源流量资本的占有情况。福建省水资源生态足迹广度自2010—2019年波动范围在1以下，整体呈波动下降的趋势，并未超过福建省水资源生态承载力，说明福建省水资源生态足迹格局相对较高，水资源承载能够满足本地经济发展。

表3 福建省2010-2019年水资源生态足迹深度及水资源生态足迹广度

图4 福建省2010-2019年水资源生态足迹深度与广度变化特征

3.3 福建省各市水资源空间分布格局

福建省各个市水资源空间分布情况如图5所示。由图5可知，福建省9个市人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力和人均生态盈余具有明显的空间分布差异性。其中人均水资源生态足迹最高为南平市，为0.501 hm2/人；三明市，龙岩市，宁德市和漳州市，分别为0.398，0.339，0.269和0.206 hm2/人，人均水资源生态足迹相对较高；其次为莆田市，福州市，泉州市，人均水资源生态足迹分别为0.171，0.157和0.143 hm2/人；最低为厦门市，为0.058 hm2/人。根据福建省经济发展情况和产业结构分布，西部地区的水资源人均生态足迹明显高于沿海地区，分析其原因，主要是因为西部地区主要以农业和传统工业为主，沿海地区的各市则以耗水量较少的工业和第三产业为主，在一定程度上，造成了福建省水资源生态足迹空间差异的现象。

由图5可知，福建省各个市人均水资源生态承载空间分布相差悬殊，其值比较高的地区依次为南平市，三明市，龙岩市和宁德市，分别为30.581，21.040，17.658和12.755 hm2/人。这4个市的人均水资源承载力均大于10，水资源非常丰富。福建省沿海地区人均水资源承载力相对较低，其次为漳州市(4.853 hm2/人)，福州市(2.732 hm2/人)，莆田市(2.505 hm2/人)，泉州市(2.272 hm2/人)，人均水资源承载力均大于1。厦门市人均水资源承载力最低，为0.541 hm2/人。由此可以看出，西部地区水资源人均生态承载力相对较高，沿海地区，水资源生态承载力相对较低。尤其是福建省经济发展较快的厦门市，福州市和泉州市，由于其人口和经济发展较快，水资源生态承载力相对较低。由图5可知，福建省水资源整体上为生态盈余，但各地差异较大。其中西部地区南平市，三明市，龙岩市和宁德市人均水资源生态盈余较高，其中南平市和三明市的值均大于5 hm2/人。尤其是南平市，达到9.482 hm2/人。漳州市人均水资源生态盈余为1.140 hm2/人，而莆田市，福州市，泉州市和厦门市人均水资源生态盈余均小于1，厦门市最低，为0.044 hm2/人。由此可知，福建省西部地区由于水资源生态承载力高，即使人均生态足迹相对较高，生态盈余依然较大。而东部沿海地区，虽然人均水资源生态足迹较低，但由于其水资源生态承载力较低，水资源相对短缺，人口密度较大，水资源生态盈余依然较低。

图5 福建省各个市水资源人均空间分布

4 结论与展望

(1) 自2010—2019年福建省人均水资源生态足迹基本呈现缓慢下降的趋势，从2010年0.907 hm2/人降到2019年0.696 hm2/人。其中农业水资源生态足迹所占比重最高，达46.41%，生态环境生态足迹所占比重最低，为8.43%。受多种因素，尤其是降水影响，福建省人均水资源承载力年际变化较大，2010—2019年水资源生态承载力变幅有4倍之多。受水资源生态承载力影响，福建省水资源虽处于盈余状态，但年际变化较大，变化幅度在1.829～10.047 hm2/人之间。福建省水资源生态指数最小值为0.663，最大值为0.928，远大于0.5，说明目前福建省水资源状态相对较好。福建省水资源比较丰富，在目前阶段下水资源可以保证。近几年，随着福建省经济快速发展，人口迅速增长，在全球气候剧烈变化的情况，若不注意水资源合理利用，福建省依然有水资源紧张的风险。

(2) 2010—2019年福建省万元GDP水资源生态足迹呈现稳步下降趋势，表明近几年福建省水资源利用效率明显提高，但也表明对水资源的自然条件相对依赖。

(3) 从福建省2010—2019年水资源生态足迹格局上来看，福建省水资源流量资本可以满足经济社会的生活生产需求，现阶段水资源利用在福建省水资源承载力范围之内。水资源生态足迹和水资源生态盈余空间差异明显，福建省西部地区水资源状况明显好于东部沿海地区。水资源足迹广度波动范围在1以下，并呈下降趋势，说明福建省水资源生态足迹格局相对较高，目前阶段，水资源承载能够满足本地经济发展。随着经济发展，东部沿海地区，水资源生态承载情况将引起重视。